基于施肥處方的烤煙變量施肥機(jī)設(shè)計及應(yīng)用

張云 李志宏， 蔣 衛(wèi)，李 強(qiáng)， 王 剛， 劉青麗， 夏 昊， 梁永江， 丁 偉， 張長華

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081; 2 貴州省煙草公司遵義市公司， 遵義 563000;3 北京東方優(yōu)國途科技有限公司， 北京 100088; 4 中國煙葉公司， 北京 100055 )

我國烤煙種植區(qū)域地塊零碎，不適合大型機(jī)具作業(yè)，本研究選擇小型手扶拖拉機(jī)為施肥機(jī)載體，研制了一種具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的變量施肥機(jī)，包括硬件和軟件; 通過田間網(wǎng)格采樣、 土壤變異分析、 處方生成、 變量施肥機(jī)具自動實(shí)施、 效果評價等完整的變量施肥技術(shù)體系實(shí)施過程，討論變量施肥技術(shù)在我國實(shí)施的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

1.2 土樣采集和測試

圖1 試驗(yàn)地土壤網(wǎng)格樣點(diǎn)位和土地利用圖Fig.1 Grid soil samples and landuse map in experimental field

1.3 養(yǎng)分推薦量計算依據(jù)

表1 土壤養(yǎng)分分級及肥料用量推薦

1.4 田間管理

供試烤煙品種為南江3號，種植密度16500 plant/hm2。變量施肥和對照地塊施肥均采用當(dāng)?shù)乜緹煂Ｓ梅? 變量施肥養(yǎng)分總量根據(jù)土壤變異計算，磷肥全部作為基肥施用，氮和鉀基肥、 追肥比例為6 ∶4，基肥配方為9-11-24，于移栽前條施，由變量施肥機(jī)完成，變量施肥處方圖見圖8。追肥配方為15-0-30，鉀肥不足部分由硫酸鉀補(bǔ)充，于移栽后20天人工環(huán)施，變量施肥機(jī)施肥地塊和對照地塊見圖1b，變量施肥機(jī)實(shí)施面積2.43 hm2，對照面積1.20 hm2，對照為農(nóng)戶常規(guī)人工施肥。其他栽培管理措施和當(dāng)?shù)亓?xí)慣相同。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，使用SAS 6.12進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和正態(tài)分布檢驗(yàn)，使用GS+9.0軟件進(jìn)行地統(tǒng)計分析，使用ArcGIS 9.3進(jìn)行養(yǎng)分插值和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙變量施肥機(jī)研制

圖2 烤煙變量施肥概念模型Fig.2 The concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

2.1.1 烤煙變量施肥機(jī)概念模型 基于處方的烤煙變量施肥機(jī)包含兩個執(zhí)行模塊，一是施肥處方生成模塊，一是施肥處方執(zhí)行模塊(圖2)，二者通過USB進(jìn)行信息交換。施肥處方生成模塊是一套軟件系統(tǒng)，依據(jù)土壤測試值、 施肥模型、 地塊邊界地圖自動生成烤煙施肥處方，以數(shù)據(jù)包方式通過優(yōu)盤復(fù)制給施肥處方執(zhí)行模塊。施肥處方執(zhí)行模塊包括硬件系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的核心部件有控制器、 GPS芯片、 速度傳感器、 排肥器和肥料斗等機(jī)加工部件; 控制軟件系統(tǒng)主要用于各種硬件的驅(qū)動、 狀態(tài)監(jiān)聽、 個性參數(shù)調(diào)整、 施肥處方執(zhí)行。

2.1.2 變量施肥處方生成模型 處方生成是變量施肥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)土壤測試數(shù)據(jù)、 邊界地圖、 施肥模型自動計算實(shí)施地塊任意位置的肥料投入量，以空間數(shù)據(jù)的方式供施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件調(diào)用。主要包括： 施肥模型管理模塊、 地圖操作模塊、 空間數(shù)據(jù)插值模塊、 空間數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換模塊、 文件管理模塊。處方生成軟件不包含任何施肥模型參數(shù)、 地圖文件和土壤測試數(shù)據(jù)，施肥模型以參數(shù)文件方式存在，施肥模型、 數(shù)據(jù)(包括空間地圖和土壤測試數(shù)據(jù))、 軟件三者獨(dú)立。

圖3 烤煙變量施肥機(jī)處方生產(chǎn)概念模型Fig.3 The prescription concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

處方生成主要包括四個過程(圖3)，一是由土壤測試數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息生產(chǎn)矢量地圖數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行Albert投影轉(zhuǎn)換將空間位置單位轉(zhuǎn)化為米; 二是檢查地塊邊界文件和土壤測試數(shù)據(jù)矢量地圖是否匹配，如果匹配失敗嘗試對地塊邊界文件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，生成空間數(shù)據(jù)的插值邊界; 三是根據(jù)插值邊界和土壤測試數(shù)據(jù)的矢量地圖插值生成一定距離的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，每個網(wǎng)格格點(diǎn)生成一套土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù); 四是依據(jù)建立的施肥模型和格點(diǎn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)計算每個格點(diǎn)的肥料投入量。

2.1.3 變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件概念模型 控制系統(tǒng)軟件(圖4)的主要功能是驅(qū)動GPS、 速度傳感器和步進(jìn)電機(jī)3個部件，監(jiān)聽上述3個部件的運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)施肥處方和部件狀態(tài)實(shí)時調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度以實(shí)施變量肥料投入。實(shí)際運(yùn)行過程中，農(nóng)機(jī)的行進(jìn)速度和農(nóng)機(jī)檔位、 農(nóng)機(jī)手習(xí)慣相關(guān)，測試表明同一個農(nóng)機(jī)手的行進(jìn)速度相對偏差小于5%，穩(wěn)定運(yùn)行2個小時以后記錄的行進(jìn)速度作為默認(rèn)速度對肥料投入的偏差小于5%，所以控制系統(tǒng)軟件在監(jiān)聽到速度傳感器為非正常狀態(tài)會及時報警，同時允許施肥機(jī)繼續(xù)工作。GPS芯片和天線出現(xiàn)故障的概率極低，但是，如地震等極端情況出現(xiàn)時，GPS信號不正常，此時，控制系統(tǒng)軟件會對部件狀態(tài)進(jìn)行報警，也允許施肥機(jī)繼續(xù)工作，此時肥料投入量為默認(rèn)的平均水平施肥量。

圖4 烤煙變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件概念模型Fig.4 The control software concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

圖5 烤煙變量施肥機(jī)排肥裝置示意圖Fig.5 Fertilizer discharge of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

2.1.4 變量施肥機(jī)的核心部件和關(guān)鍵參數(shù)

硬件環(huán)境

中央處理單元(CPU)： 飛思卡爾的i.MX51為主芯片，主頻1.2G;

GPS芯片： 瑞士U-Blox公司生產(chǎn)的Ublox AG，位置誤差小于10米;

速度傳感器： JL-0203NA-OC;

步進(jìn)電機(jī)： 深圳雷賽公司生產(chǎn)的110系列;

排肥器： 排肥器作為施肥機(jī)的核心部件，要求不漏肥、 防堵、 防銹、 轉(zhuǎn)速和排肥量線性相關(guān)。市場供應(yīng)的化肥造粒不勻、 結(jié)塊， 導(dǎo)致星輪狀排肥裝置出現(xiàn)堵死現(xiàn)象，可用性差，本研究采用圖5結(jié)構(gòu)的排肥器。該排肥裝置的排肥精度如圖6，數(shù)據(jù)測試在田間實(shí)際施肥過程中完成，實(shí)際排肥量和模擬公式計算的理論排肥量相對誤差小于0.5%。

圖6 排肥量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.6 Relation of fertilizer discharge and motor rotating speed

圖6為實(shí)測的排肥量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，用于獲取排肥器的特征參數(shù)a和b，排肥量用體積表示。肥料密度不同，相同轉(zhuǎn)速在單位時間內(nèi)排肥的體積相同，而排肥質(zhì)量(重量)不同。變量施肥機(jī)工作過程中，需要由處方施肥量確定電機(jī)轉(zhuǎn)速，不能由圖6推算，此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速和肥料用量、 農(nóng)機(jī)行進(jìn)速度、 施肥行距、 肥料密度等因素相關(guān)，可采用公式(1)計算。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(v)與排肥量的關(guān)系：

(1)

其中：

a、 b—排肥軸特征參數(shù)，表征轉(zhuǎn)速和排肥量(體積)之間的關(guān)系;

W—肥料用量，單位為kg/hm2;

V—行進(jìn)速度，單位為m/s;

h—行距，即兩條相鄰肥料壟之間的距離，單位為m;

ρ—肥料密度，單位為g/cm3。

軟件環(huán)境

處方生成軟件開發(fā)環(huán)境： Microsoft Studio 2008 C#; 依賴環(huán)境DotNet Framework 3.5和Microsoft Office 2003或以上版本; GIS相關(guān)模塊使用C#自主開發(fā);

控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境： 硬件驅(qū)動使用C語言開發(fā); 應(yīng)用層軟件使用Android 2.3.4操作系統(tǒng)下java開發(fā)。

2.2 烤煙變量施肥機(jī)應(yīng)用

表2 土壤養(yǎng)分含量和pH值描述性統(tǒng)計

圖7 土壤養(yǎng)分和pH值半方差分析圖Fig.7 Semivariograms for soil nutrients and pH value

圖8 土壤養(yǎng)分空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of soil nutrients

變程反映土壤的結(jié)構(gòu)性，變程值內(nèi)的土壤性質(zhì)是空間相關(guān)的; 變程值范圍以外的土壤性質(zhì)是空間獨(dú)立的。根據(jù)半方差理論，球狀模型和線性有基臺模型的變程為模型參數(shù)A0，指數(shù)模型和高斯模型的變程為模型參數(shù)A0的3倍。土壤pH值和硝態(tài)氮是球狀模型，變程分別為174.3米和68.3米，硝態(tài)氮的變程最小; 有機(jī)質(zhì)、 有效磷、 速效鉀和無機(jī)氮是指數(shù)模型，變程分別為354.3米、 426.0米、 330.6米和1050.6米。其中，無機(jī)氮由銨態(tài)氮和硝態(tài)氮組成，移動性較強(qiáng)，變化比較快，不太可能出現(xiàn)較大的變程，結(jié)構(gòu)分析表現(xiàn)為中度空間相關(guān)， 但圖7中無機(jī)氮并不是典型的指數(shù)圖形，這可能和銨態(tài)氮結(jié)構(gòu)性不好相關(guān)。烤煙養(yǎng)分管理的重點(diǎn)是氮素管理，過量的氮素肥料投入會導(dǎo)致上部煙葉煙堿含量過高，煙葉質(zhì)量差，氮素投入不夠又會嚴(yán)重影響產(chǎn)量。氮素養(yǎng)分管理過程中，如果采用硝態(tài)氮(旱地)作為氮素養(yǎng)分管理的依據(jù)，土壤樣品采集的網(wǎng)格密度不能小于70米; 采用無機(jī)氮作為氮素養(yǎng)分管理的依據(jù)時，雖然能夠增大網(wǎng)格采樣密度，其可靠性需要進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)。

土壤有機(jī)質(zhì)、 無機(jī)氮、 有效磷和速效鉀的分布符合正態(tài)分布或經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布，達(dá)到中等強(qiáng)度以上的空間自相關(guān)，可以進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，圖8是土壤養(yǎng)分的空間分布圖。雖然pH值也滿足上述要求，沒有列出pH值的空間分布圖，一方面是pH值的變異系數(shù)非常小，另一方面pH值在烤煙生長的適宜范圍[10]。試驗(yàn)地在土壤采樣之前歸農(nóng)戶各家所有，種植作物主要是玉米，農(nóng)戶鉀肥投入少，土壤速效鉀含量(圖8d)處于極低水平[9-10]，養(yǎng)分管理過程中，鉀素養(yǎng)分給予最高的推薦量。土壤有效磷含量(圖8c)和速效鉀含量近似，處于中等偏低水平[9-10]，除試驗(yàn)地東南角部位含量稍高外，整體含量不高。土壤無機(jī)氮含量(圖8b)處于中等或中等偏低水平，西南和東北部位含量稍高，中部含量較低，有比較清晰的空間分布區(qū)域特征。土壤有機(jī)質(zhì)含量(圖8a)東部高西部適中，針對烤煙種植，有機(jī)質(zhì)含量過高和過低均不利于烤煙生產(chǎn)[9-10]，有機(jī)質(zhì)含量超過30 g/kg，土壤氮素礦化量過高，煙葉氮來源于土壤礦化氮的比例過高，煙堿含量過高，煙葉品質(zhì)差[13]; 有機(jī)質(zhì)含量過低，土壤結(jié)構(gòu)差，保水保肥性差，也影響烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量; 試驗(yàn)地東部土壤有機(jī)質(zhì)偏高，對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙有影響。

本研究設(shè)計的變量施肥機(jī)只能針對一種肥料進(jìn)行變量控制，實(shí)施過程中以氮素養(yǎng)分作為肥料推薦的依據(jù)，一方面是試驗(yàn)地塊氮素養(yǎng)分的空間變異比磷、 鉀都大，且氮素對烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量的影響也最大; 另一方面根據(jù)圖8c中有效磷含量小于10 mg/kg 的面積占83.5%，圖8d中速效鉀含量均小于80 mg/kg，土壤磷和鉀養(yǎng)分含量低，均處于高量推薦水平。圖9是以土壤無機(jī)氮、 表1養(yǎng)分推薦指標(biāo)體系、 基肥配方9-11-24為依據(jù)制作的變量施肥處方圖。

圖9 變量施肥處方圖Fig.9 Prescription map of variable fertilizer rates

變量施肥機(jī)養(yǎng)分投入與推薦量比較，氮素養(yǎng)分相同，磷素和鉀素養(yǎng)分投入比推薦量分別少0.5 kg/hm2、 9.9 kg/hm2，變量施肥實(shí)際養(yǎng)分投入與推薦量基本相當(dāng)。變量施肥地塊最終養(yǎng)分投入與農(nóng)戶常規(guī)施肥比較節(jié)省肥料4.6%，試驗(yàn)地塊土壤養(yǎng)分含量低，肥料投入過低導(dǎo)致減產(chǎn)風(fēng)險較高。

2.2.2 變量施肥的烤煙生育性狀 表3為變量施肥區(qū)和對照區(qū)分別均勻布置20個監(jiān)測點(diǎn)生育期性狀調(diào)查表，調(diào)查時間為烤煙圓頂期。

表3 應(yīng)用變量施肥機(jī)的烤煙生育性狀表

2.2.3 變量施肥的烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量 變量施肥機(jī)實(shí)施地塊和對照地塊單獨(dú)烘烤、 分級、 計算產(chǎn)量，表4為試驗(yàn)產(chǎn)質(zhì)量表，其中，上、 中、 下等煙率是把烤煙煙葉分為42級后根據(jù)每級產(chǎn)量整理出來的。

表4 應(yīng)用變量施肥機(jī)的烤煙產(chǎn)質(zhì)量表

在相同株高的情況下，烤煙中部葉(最大葉)面積越大，植株光合作用的面積越大，光能利用率就越高; 在株高不同的情況下，中部葉面積和株高的比值越高，植株的光能利用率越高。根據(jù)表4，變量施肥處理和對照的中部葉面積(本文直接使用最大葉長和寬的乘積)和株高的比值分別為22.55和21.51，變量施肥處理有更高的光能利用率，這和變量施肥烤煙產(chǎn)量高于對照產(chǎn)量的數(shù)據(jù)一致。

變量施肥烤煙長勢整齊，長勢最好的煙葉和長勢最差的煙葉比例同步減少，表4數(shù)據(jù)表明， 變量施肥處理烤煙中等煙率為52.2%，比對照中等煙率39.1%增加了13.1%; 同時，變量施肥處理的上等煙率和下等煙率均比對照低，這和變量施肥處理烤煙長勢整齊相關(guān)，長勢較差的植株少，長勢好的植株光合作用的邊際效率少，上等煙的比率減少。中等煙率比例增加是烤煙煙葉單價提高的原因，也是變量施肥產(chǎn)值高于對照4286.45 yuan/hm2的重要原因。

3 討論

3.1 基于處方變量施肥機(jī)的效益

本研究通過變量施肥機(jī)研制和應(yīng)用證實(shí)變量施肥可以提高烤煙的產(chǎn)量和均價，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。本研究設(shè)計的變量施肥機(jī)是在烤煙起壟機(jī)的基礎(chǔ)上附加變量施肥單元，能夠節(jié)省施肥的人工成本，常規(guī)人工施肥效率是0.2 hm2/d，人工施肥成本300 yuan/hm2，同時節(jié)省肥料4.6%，折合124.2 yuan/hm2。采用變量施肥技術(shù)需要增加土壤樣品測試成本，本研究采用50 m×50 m網(wǎng)格采樣，每項(xiàng)土壤樣品測試費(fèi)用為100 yuan，相當(dāng)于400 yuan/hm2。由于產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善，產(chǎn)值增加4286.45 yuan/hm2，變量施肥機(jī)在烤煙上應(yīng)用增加的綜合效益為4310.65 yuan/hm2。變量施肥機(jī)工作效率14.25 h/hm2，一臺變量施肥機(jī)單個烤煙移栽季施肥面積7 hm2，單臺變量施肥機(jī)累積節(jié)本增效達(dá)到30174.55元，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

3.2 變量施肥機(jī)的發(fā)展趨勢

根據(jù)變量施肥的實(shí)現(xiàn)方式，可以分為基于處方的變量施肥機(jī)和基于傳感器的變量施肥機(jī)，目前，根據(jù)前期制作的處方自動控制施肥仍然是主流，限制傳感器實(shí)時獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行決策而后自動施肥的關(guān)鍵是傳感器技術(shù)本身，尚缺乏有效獲取土壤養(yǎng)分等信息的可靠傳感器，甚至有些光學(xué)傳感器也僅僅用于施肥處方生成，盡管如此，基于傳感器的變量施肥依然代表該技術(shù)發(fā)展的方向。

從高新技術(shù)應(yīng)用的角度，變量施肥技術(shù)對GPS的應(yīng)用會更加深入。通常變量施肥的土壤網(wǎng)格采樣密度大于50 m×50 m，而普通GPS的精度在10 m以內(nèi)，差分GPS的精度可提高到1 m以內(nèi)，土壤采樣位置誤差遠(yuǎn)大于變量施肥機(jī)的施肥位置誤差。盡管如此，GPS的精度會進(jìn)一步提高，變量施肥機(jī)的自動導(dǎo)航不僅可節(jié)省油料消耗，提高變量施肥機(jī)的工作效率，也可以使肥料投放的位置更加準(zhǔn)確，有效提高肥料利用效率和耕地生產(chǎn)效率; 同時，農(nóng)機(jī)的測速問題始終是技術(shù)難題，傳統(tǒng)的五輪測速由于不同耕地條件滑移不同，很難獲取到農(nóng)機(jī)的真實(shí)速度，而雷達(dá)測速要求速度大于18 km/h，農(nóng)機(jī)工作速度在5 km/h以內(nèi)，考慮農(nóng)機(jī)操作以直線運(yùn)動為主，高精度GPS可解決農(nóng)機(jī)測速問題。

現(xiàn)階段限制變量施肥機(jī)應(yīng)用的一個重要原因是土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)獲取成本高，遙感數(shù)據(jù)、 作物長勢和產(chǎn)量數(shù)據(jù)、 土壤理化的歷史數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)獲取、 解譯、 管理并用于施肥處方生成，將有效降低變量施肥技術(shù)應(yīng)用的運(yùn)行成本[14]。同時，自主研發(fā)并擁有全部知識產(chǎn)權(quán)的變量施肥機(jī)在經(jīng)濟(jì)作物上應(yīng)用，通過節(jié)約肥料、 勞動力成本，增加農(nóng)產(chǎn)品效益來獲取收益，成本回收期可控制在2年以內(nèi)，變量施肥機(jī)的購置成本不會成為該技術(shù)應(yīng)用的限制因子。

4 結(jié)論

變量施肥機(jī)以小型手扶拖拉機(jī)為載體，根據(jù)土壤測試數(shù)據(jù)、 邊界地圖、 施肥模型自動計算實(shí)施的地塊任意位置的肥料投入量，以空間數(shù)據(jù)的方式供施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件在施肥實(shí)踐中是可行的。

使用變量施肥機(jī)實(shí)施自動變量施肥，可節(jié)省肥料4.6%; 提高烤煙的整齊度; 上等煙率和下等煙率同步減少，中等煙率增加13.1%; 農(nóng)戶收益平均增加30174.55 yuan/hm2，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

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